高熵氧化物陶瓷的制备及其性能研究
编号:421 稿件编号:510 访问权限:仅限参会人 更新:2023-03-02 11:06:26 浏览:1095次 口头报告

报告开始:2023年04月23日 17:30 (Asia/Shanghai)

报告时间:15min

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摘要
高熵氧化物陶瓷的制备及其性能研究
       陶瓷材料因其高硬度、高熔点、耐腐蚀等优良特性,在航空、航天、军事、通讯等尖端科学领域占据着金属等其它材料不可替代的地位。对高熵陶瓷材料的研究工作大量涌现并集中于块状整体材料,包括高熵氧化物陶瓷(HEOs, high-entropy oxides))以及碳化物、氮化物、硼化物等高熵非氧化物陶瓷。得益于独特的高熵构型和巨大的组分可调空间,高熵陶瓷中存在与高熵合金类似的四大效应:高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应,因而表现出更为优异的机械、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能,在热障涂层、环境障涂层、能源、热电磁、催化以及储能等材料领域取得了广泛的应用。
      近年来,高熵陶瓷尤其在热障涂层材料领域吸引了大量关注。作为航空发动机热端部件的关键热防护技术之一,热障涂层的应用能够显著提高涡轮前进气温度,从而推动航空发动机向更大推重比、高效率、低油耗和长寿命方向发展。同时,工业燃气轮机对热障涂层的需求也而日渐增加。因此热障涂层的设计、开发与制备密切关系着国家国防和经济建设,涉及国家安全和国计民生的核心利益。热障涂层需要具备高温下良好的隔热性能、抗高温氧化及热震性能、与基材合适的匹配性(即较高的热膨胀系数)。针对腐蚀环境中服役的特殊需求,还需要高温耐腐蚀性能,从而实现对基底材料的有效热防护。现役热障涂层为7~8%氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)由于使用温度局限于1200℃以下,在高于此温度服役时会发生四方相(t)到立方相(c)的相变,冷却至室温时t相到单斜相(m)的转变会引起3~5%的体积膨胀,从而导致涂层剥落失效。潜在的热障涂层材料,如La2Zr2O7,La2Ce2O7,Gd2Zr2O7,LaMgAl11O19等难以突破传统材的设计思路,无法胜任材料在更为极端工况下长寿命、稳定、高效、安全服役的需求,开发新型热障陶瓷涂层材料迫在眉睫。
A2B2O7型高熵陶瓷因其较低的热导率、较高的热膨胀系数、优异的耐腐蚀性能以及高温相稳定性等在众多热障涂层用陶瓷材料领域中脱颖而出。绝缘陶瓷材料的导热性能极大程度取决于材料内部声子的散射,声子散射增强,热导率降低。A2B2O7型高熵陶瓷可在A和B两个位点分别或同时进行高熵化和组分调控,并且晶体结构复杂多样,因此晶格畸变程度、氧空位浓度以及体系中质量、尺寸、电荷无序度更高。这些结构特征显著增加了材料内部声子散射中心。得益于此,相比于相对应传统组分的A2B2O7型陶瓷(如La2Ce2O7、La2Zr2O7等),A2B2O7型高熵陶瓷表现出明显降低的热导率。从材料科学角度,材料热导率的降低势必会以杨氏模量的牺牲为代价,然而,在高熵陶瓷材料中缺观察到了与之相反的现象。同时,高熵构型较高的混合熵赋予了其优异的高温相稳定性,迟滞扩散效应助力了耐熔盐腐蚀性能的增强。这些特性使得A2B2O7型高熵陶瓷有望成为下一代新型热障涂层用材料。
      通过对热障涂层用A2B2O7型高熵陶瓷整体材料中A位、B位和AB位组分的高熵化设计以及结构的构筑,能够科学合理地降低材料热导率、改善耐腐蚀性能、提高硬度、增强断裂韧性等,从而弥补单主元A2B2O7型陶瓷在性能上的不足。同时,研究将明确其高熵构型特殊效应与性能之间的关系,从理论上挖掘更高性能的热障材料,为新型高性能长寿命热障涂层的开发开辟新的途径。这将对目标组分的高熵陶瓷热障涂层体系的设计、制备与性能评价工作有重大的学术指导意义及工程应用价值。
 
关键字
高熵陶瓷,热障材料,热物理性能,熔盐腐蚀
报告人
XueYun
Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences

稿件作者
薛芸 中国科学院兰州化学物理研究所
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